[发明专利]用于燃料电池的高分子电解质膜及包括其的膜电极组合件、燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的聚合物电解质膜、使用该电解质膜的膜电极组合件以及包括该组合件的燃料电池。更具体地，本发明涉及用于燃料电池的聚合物电解质膜，该聚合物电解质膜在高温下稳定地表现出高质子电导率，使得其在高温下无需湿润即可适用于燃料电池系统，并具有良好的耐化学品性和改善的物理性质；使用该电解质膜的膜电极组合件；以及包括该组合件的燃料电池。

背景技术

聚合物离子交换膜已经广泛地用于各种应用，诸如扩散透析、电透析和蒸气渗透分离。近来的焦点已经致力于开发使用阳离子交换聚合物的聚合物电解质燃料电池。

燃料电池是将储存于燃料中的化学能有效地转换为电能的能量转换系统。在燃料电池中，作为气体储存的氢以及作为液体或气体储存的甲醇和氧化合以产生电能。尤其是，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是能够替代化石燃料的清洁能源，并且具有高的功率密度和高的能量转换效率。

已知为燃料电池中的电解质的质子导电聚合物膜通常基于全氟磺酸和四氟乙烯的共聚物。燃料电池由下列元件构成：聚合物电解质膜、电极、用于构成堆的隔离器等。

通常，阴极和阳极通过不同方法连接到聚合物电解质膜以制造膜电极组合件。为了使得铂催化剂的表面积最大化，通过在碳材料(例如碳黑)的表面上吸附纳米尺寸的铂颗粒制造两个电极。碳材料通常处于具有数百平方米每克(m²/g)的有效表面积的粉末形式，铂颗粒作为氧化/还原反应的催化剂。

膜电极组合件的结构和性能是聚合物电解质燃料电池技术中最重要的因素。燃料电池基于以下原理发电。如反应1所示，作为燃料气体的氢供应到阳极，吸附于阳极的铂催化剂并被氧化以产生质子和电子。

2H₂→4H⁺+4e^-    (1)

产生的电子沿外部电路流动并到达阴极。质子穿过聚合物电解质膜输送至阴极。如反应2和3所示，氧分子接收输送至阴极的电子以还原为氧离子，然后质子与氧离子反应以生成水并发电。

O₂+4e^-→2O^2-      (2)

2O^2-+4H⁺→2H₂O    (3)

用于燃料电池的聚合物电解质膜是电绝缘体，但是在电池运行期间作为将质子(H⁺)从阳极输送至阴极的介质。聚合物电解质膜也具有隔离燃料气体或液体与氧化剂气体的作用。因此，用于燃料电池的离子交换膜必须具有优良的机械性能、高的电化学稳定性并且在高电流密度下具有低的欧姆损失。

在20世纪60年代用于燃料电池的聚合物电解质膜的开发早期，已经对烃基聚合物膜进行了大量的研究。自从E.I.Du Pont de Nemours，Inc.在1968年开发出全氟化的磺酸(Nafion)以来，其已经主要应用于安装型燃料电池和便携式燃料电池。

使用Nafion型聚合物电解质膜的燃料电池的问题在于：电极催化剂在80℃或更低温度下的低温运行期间CO中毒，并且在直接甲醇燃料电池(DMFC)中发生甲醇的穿过(crossover)，这使得燃料电池的性能劣化并成为其寿命变短的主要原因。目前正进行大量的研究以解决这些问题。

此外，氟化聚合物电解质膜诸如Nafion具有在90℃或更高温度下的热不稳定性、难以合成和材料昂贵的问题。在这些情况下，目前正在开发磺化烃基聚合物电解质，这是由于提高的膜的热稳定性和降低的成本。

然而，由于磺化烃基聚合物电解质膜是质子导电性可在湿气存在下发生的系统，所以在100℃或更高温度下的高温运行期间膜内部发生的脱水现象导致质子电导率的快速降低。

近来的燃料电池系统需要用于具有高的发电效率并适于高温运行以利用来自家庭燃料电池的废热的燃料电池的聚合物电解质膜。

燃料电池的耐久性对于燃料电池的商业化是至关重要的。即，电池的特性必须不会因长时间运行而劣化。因此，需要开发用于具有改善耐久性的燃料电池的聚合物电解质膜。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供用于燃料电池的聚合物电解质膜，该燃料电池由于对在燃料电池运行期间可能产生的自由基的改善耐受性而可稳定地表现出质子电导率，其中聚合物电解质膜使用在150℃或更高的高温下具有稳定质子电导率的新型聚合物结构形成，在高温下无需湿润即可表现出电池特性，并且具有优良的耐化学品性和极好的物理性质。